Teknik Nörobilim Serisi 2: Beyin Görüntüleme Yöntemleri

Teknik seriye kaldığım yerden devam ediyorum. İlk bölümü okumayan arkadaşlar buraya tıklayarak ilk bölüme gidebilir. Bu bölümle beraber aslında giriş bölümü tamamlanmış ve daha derinlere girmeye başlayacağız. Bu bölümde beyin görüntüleme tekniklerine değineceğim.

Davranışlarımızdan sorumlu olan beyin, oldukça korunaklı bir yapının içinde yer alır. Nörokraniyum ismiyle anacağımız bu yapı kafatasının beyni saran kısmı olarak açıklanabilir. Bu yapı 8 kemikten (Pariatal ve Temporal kemikler simetrik olarak ikişer tanedir) oluşur. Giriş çıkışları çok kısıtlı olduğu için ve beynin travmalara hassas yapısı dolayısıyla canlı bir insan beynini incelemek yüzyıllar boyunca çözülmesi imkansız bir sorun olarak kalmıştır.

Son yüzyılda gelişen bazı teknolojiler bizim bu sorunları (bir nebze de olsun) çözebilmemize olanak sağlamıştır. Bu sayede beyin, bugün çok daha iyi bir şekilde anlaşılabiliyor.

Son 40 yılda Bilişsel Nörobilim (Cognitive Neuroscience) isimli yeni bir alan doğdu. Amacı konuşma, algı, bellek, bilinç gibi insani özellikleri indirgemeci bir yaklaşımla ele almak olan bu bilim dalı görüntüleme teknikleriyle yakından ilişkiliydi.

Görüntülemeyle alakalı sorunlar çözüledursun, bilişsel nörobiliminin geliştirdiği ve uyguladığı yaklaşımların en başında insanın bilişsel işlevlerine ışık tutabilecek spesifik davranışlar için deneyler dizayn etmek ve uygulamak gelir. Örneğin doğru vs yanlış cevapları, öğrenmek için geçen deneme sayısını, stimulus (uyarı) ve cevap arasında geçen süreyi hesaplamaya dayanan deneyler gibi. Bu deneyler Magnetic Resonance Tarayıcı isimli makine yardımıyla yapıldığında (makineden birazdan detaylı olarak bahsedeceğim) deneklerin davranışlarına bağlı beyinde gerçekleşen kan akımı değişiklikleri bölgesel olarak kaydedilebilir. Biz de fazla kan = fazla enerji = fazla iş mantığıyla beynin çeşitli bölümlerini değerlendirebiliriz.

Nörobilimde çığır açan bu indirgemeci yaklaşımlar silsilesi nöroetik adı altında yeni bir alanın doğmasına sebep olmuştur. Hatta fazlaca suistimale açıktır bu alan. İndirgemecilikte ekstrem noktaya ulaşmış kişiler, davranışların genetiğe kadar indirilebileceğini ve suçluları daha suçları işlemeden saptayıp cezalandırabileceğini savunuyor. Çoğu arkadaşımında bu mide bulandırıcı (ve cahilce) görüşlere sahip olduğunu görmek beni çok üzüyor. Ancak bu konuda ayrı bir yazı yazacağım için kişisel görüşlerimi yazmayı burada bırakıyorum.

Yaşayan İnsan Beynini Görüntülemek

1970’lerin sonlarına gelene kadar alandaki bilgimizin çoğu ölü insanlar veya hayvanlar üzerine yapılan çalışmalardan sağlanıyordu. Tabi ki bu yaklaşım, nörolojinin tanı-tedavi yöntemlerini geliştirmekte yararlı olsa da yukarıda bahsettiğimiz algı, bilinç vs. gibi komplike sistemleri anlamakta başarısız kaldı. Ölü bir hücrede enformasyon sistemlerini değerlendirmenin imkansızlığı bir yana dursun, anatomik olarak bozulmuş ve sağlıklı insanla uyuşmayan örnekler kullanılmak zorundaydı bu yaklaşımda.

Son bir kaç on yılda gelişen non-invasive (girişimsel olmayan) yeni yaklaşımlar, sağlıklı veya nörolojik olarak hastalıklı bireylerin araştımalara güvenle katılabilmesine olanak sağladı. Bu araştırmalar önceki genel geçer sonuçları doğrulamaya yaradığı gibi beyinde yeni bir araştırma çağının başlamasına yol açtı. Bu çağın meyveleri olarak bilinç, algı, bellek, dil gibi alanlarda inanılmaz bilgi seviyesine ulaştık bir kaç yılda.

X-Ray Kullanan Erken Dönem Beyin Görüntüleme Yöntemleri

Beyin görüntüleme yöntemlerinin ilk fazı, X-Ray tabanlı olan iki yöntemden oluşmaktadır: Pnömoensefalografi ve Cerebral Anjiyografi.

Pnömoensefalografi tekniği subarachnoid aralıkta yer alan cerebrospinal sıvıya (BOS) hava enjekte ederek daha iyi X-Ray kontrastı elde etmeye dayanır. Bu yaklaşım özellikle hidrosefali (ventriküler sistemde bir veya birkaç ventrikülünün obstriksiyonuna bağlı dilatasyon) gibi ventriküler anomalilerde çok yararlı olmuştur. Riskler ve hastayı rahatsız eden yan etkileri nedeniyle bu yöntem çok kısıtlı alanlarda uygulanmış ve yerini daha yeni metodlara bırakmıştır.

Cerebral Anjiografide kontrastlı ajanlar, arterial kateterler aracılığı ile kan dolaşımına enjekte edilir. X-Ray görüntüleri kafanın değişik planlarından alınarak çalışan beyindeki dolaşım sisteminin muayenesine olanak sağlar. Bu yaklaşım arteriyal oklüzyonlar gibi arterio-venöz malformasyonların ve diğer vasküler anomalilerin tanısının yapılmasına olanak sağlamıştır. Pnömoensefalografide olduğu gibi bu yöntemde de yöntemin riskleri, yöntemin kullanımını kısıtlamıştır.

Kortikal Yüzey Stimulasyonu ve Elektroensefalografi Kullanan Erken Dönem Beyin Haritalama Yöntemleri

19.yy sonlarından 20.yy başlarına uzanan çalışmalarla (özellikle insan olmayan canlı primatlarda yapılan çalışmalar) öncü nörofizyologlar spesifik kortikal bölgelerin, çeşitli duyusal modalitelerden sorumlu olduğunu ortaya çıkarmıştır. Bu araştırmalar yavaş yavaş insan beynini tek bir organ olarak değil de, belirli modüler parçalardan oluşmuş bir yapı olarak görme eğilimi yaratmıştır. 20. yy. ortalarında yapılan daha detaylı çalışmalar aslında her hemisferde çeşitli modüler sistemler olduğunu ortaya koymuştur. Bu çalışmalar beynin ilk topografik haritaları niteliğindedir.

Daha önceki bölümde gördüğümüz hücre dışı kayıt yapmaya sağlayan dolayısıyla lokal elektrik kayıtlarını tutabilen bir araç olan elektroensefalografi (EEG)‘nin geliştirilmesi yeni çağı başlatan olay olmuştur. EEG başlarda epilepsi odağını bularak, odakların cerrahi olarak çıkarılmasında kullanılmıştır. Montreal Nöroloji Enstitüsünde çalışan ve EEG’nin ana geliştiricilerinden olan Herbert Jasper; cerrahi işlemlerde korteks yüzeyi üzerine yerleştirdiği elektrotlarla, kortikal dokulara invaziv girişim yapmadan korteksi uyarma tekniğini uygulayan Wilder Penfield ile çalışmıştır. Penfield bu tekniği uygularken sahip olduğu ana amaç kritik beyin bölgelerine zarar vermeden cerrahi girişim uygulayabilmekti. Örneğin sol hemisferde bulunan dil alanlarını haritalamış ve girişimlerinde bu alana zarar vermekten kaçınmıştır.

Buna ek olarak Penfield ve Jasper beden üzerindeki duygulardan sorumlu olan somatosensör ve kasların hareketinden sorumlu olan motor bölgelerin tam haritasını çıkarmıştır. Bu girişimlerde hastalar lokal anestezi altındaydı. Dolayısıyla bilinçleri ve cevap verebilirlikleri normaldi. Yani cerrah beyindeki somatosensör bölgeyi elektrotla uyardığında bedenlerinin neresinde nasıl bir duygu hissettiklerini cerrahlarla paylaşabiliyor, motor bölge uyarımına istemsiz gerçekleştirdikleri kas hareketiyle cevap veriyorlardı. Bu teknik kullanılarak, ilerleyen dönemlerde beyin haritaları dil gibi çeşitli fonksiyonları da içine kapsayacak şekilde genişletilmiştir. Böylece klinikte kullanılabilecek çok geniş bir kaynağa sahip olduk.

Haritalama çalışmalarının hastalarda yapılması kadar gönüllü sağlıklı bireylerde de non-invasive şekilde gerçekleştirilmesinin önem taşıdığı su götürmez bir gerçektir. Sağlıklı hastalarda haritalama çalışmalarında bir yaklaşım düşük çözünürlüğe sahip olan EEG elektrotlarını bir başlık vasıtasıyla scalp (kafa derisi) boyunca yerleştirmekten geçer. Bu yaklaşım Event Related Potential veya kısaca ERP‘nin ölçümüne dayanır. Radyoaktivite veya elektriksel stimulasyon kullanmayan bu yöntem; scalp üzerindeki elektrotlar arasında kaydedilen net elektriksel aktivite farklarına dayanır. Elektrotların üzerinden geçen elektriksel aktivite, tespit edildiğinde önce yükseltilir (amplifying) daha sonra elektrotların pozisyonlarına göre haritalama işlemi gerçekleştirilir. Bireylere uygulanan sensör stimulilerin veya bireylerin gerçekleştirdiği motor komutların sebep olduğu elektriksel aktivite bize ilgili ERP’yi verir. Yetişkinlere uygulandığı gibi çocuklara da uygulanabilen bu yöntem non-invaziv olması nedeniyle araştırmacılara büyük olanaklar sağlamıştır.

Ardından beyin aktivitesini bölgesel olarak değiştirmeye dayanan, gerek klinikte gerekse davranış bilimcilerin ve fizyologların araştırmalarında kullanılan yeni bir yöntem geliştirilmiştir. Transcranial Magnetic Stimulation (TMS) olarak isimlendirilen bu yöntem manyetik dalgaların scalp üzerinden beyne lokal olarak etki etmesiyle gerçekleşir. Manyetik dalgalar beyne lokal olarak etki ettiğinde, etki altında kalan kortikal doku kısa bir zaman için işlev göremez hale gelir. Böylece kişinin etkilenen beyin bölgesine spesifik bir fonksiyonunda gerçekleşen bozulmalar dış gözlemci tarafından kaydedilebilir. Bu kısa süreli bozulmalar uzun vadede herhangi bir lezyona sebep olmadığı gibi gönüllüler üzerinde saptanmış herhangi bir uzun dönemli yan etkisi bulunmamaktadır. İnhibe edici etkisine ek olarak, daha güçlü manyetik dalgalar kullanıldığında kortikal ateşleme başlatabilme yeteneğine sahip bu cihazın terapötik kullanımları da aktif olarak araştırılmaktadır.

Bilgisayarlı Tomografi

1970’lerde bilgisayarlı tomografi (BT – CT) canlı beyin üzerine non-invasive görüntülemede bilgisayar desteğini de arkasına alarak yeni bir çağ başlattı. CT dar hacimli X-ray ışınlarını yollayan bir gönderici ve kafanın etrafında yer alan detektörlerden oluşur. Bu yöntem kısıtlı radyasyona maruz kalan hastanın çeşitli plan ve kesitlerde beynini tarayarak kesitsel (3 boyuta yakın diyebileceğimiz) görüntüler çıkarmaya olanak sağlamıştır. Bilgisayarın görevi bu kesitsel görüntüyü oluşturabilmek için çeşitli planlardan gelen dansite (yoğunluk) farklarını karşılaştırıp hesaplamalarını yapmaktır. CT taramaları gri ve ak madde ayrımını kolaylaştırır, ventrikülleri gözlemeye olanak sağlar ve diğer beyin dokularını milimetrik çözünürlüklerle görüntüler. Böylece major anatomik yapılar daha güvenilir şekilde tanımlanır, çözünürlük dahilinde kalan lezyonlar (yeni tekniklerde bir kaç mm) güvenilir şekilde tanılanabilir. Klasik X-ray metotlarının izin vermediği lezyonlar CT kullanılarak gözlenebilir. Örneğin distal maligniteye sahip metastatik lezyonlara dayalı fonksiyon kayıplarının tanısında oldukça faydalıdır.

Manyetik Rezonans Tarama (MRI)

1980’lerde geliştirilen manyetik rezonans görüntüleme (MRI) tekniği ile nörobilim dünyası büyük bir adım attı. CT’nin aksine MRI atomik hareketlerin fiziğini kullanır. Bazı atomların nükleusları dönebilen mıknatıslar gibi davranır. Eğer kuvvetli manyetik alan bu atomlara uygulanırsa atomlar belirli bir bölgede sıralanır ve manyetik alanın kuvvetine göre bir frekansla dönmeye başlar. Kısa zamanlı radyofrekans uygulaması atomların hizalanmalarını değiştirir, radyofrekans uygulaması kalkınca atomlar tekrar eski alanlarına dönerken etraflarına enerji yayar. Yayılan enerji ne kadar çekirdeğin etkilendiğiyle alakalıdır.

MRI’da bu yayılan enerjiyi 3 boyutlu saptayabilecek detektörler bulunur. Neredeyse tüm MRI tarayıcılar sudaki hidrojen nükleusunun yaydığı enerjiyi saptamaya ayarlıdır. Bu da MRI özellikle su ihtiva eden yumuşak dokularda yüksek çözünürlüklü görüntü elde etmesine olanak sağlar.

Güvenirliği (yüksek enerjili radyasyon kullanılmaz), non-invasive oluşu ve uygulabileceği durumların sayısı MRI’yı beyin görüntülemede popüler seçim haline getirmiştir. Üstelik MRI çeşitli modifikasyonlara da olanak sağlar. Tarama parametreleri değiştirilerek farklı kontrast mekanizmaları gözlenebilir, bu da görüntülemede geniş olanaklar sağlar. Örnek verecek olursak geleneksel MRI hidrojenin farklı dokularda (gri, ak maddeler ve cerebrospinal sıvı) farklı sıralanma oranlarına sahiptir; yani doku kontastı dedektör zamanlaması ayarlanarak değiştirilebilir. Bir başka avantajı da CT’ye göre çok yüksek çözünürlüğe sahip olmasıdır. Ayrıca CT’nin aksine MRI tam beyin görüntüsü niteliğindedir ve gerçek 3 boyutlu görüntü sağlar.

Bütün bunlara ek olarak MRI, nörotransmisyondaki değişimleri algılamak için de ayarlanabilir. Bu uygulama çeşitli kimyasalları saptayarak çalışır ve Nükleer Manyetik Resonans (NMR) olarak adlandırılır. Bu yaklaşım beyin görüntülemede glutamat gibi eksitatör nörotransmitterlerin (NTM) metabolitlerini veya GABA gibi inhibitör NTMlerin dağılımı ve konsantrasyonlarını saptamada kullanılır. Bu alanda en sık kullanılan metabolik marker N-Asetil Aspartat (NAA)‘dır. NAA glutamaterjik iletimin birincil göstergeçlerindendir. Bu yaklaşım spesifik davranışlar için gereken eksitatör ve inhibitör aktiviteyi ortaya çıkarmakta kullanılır

Ayrıca manyetik alanın su moleküllerinin akson boyunca takibini göstermede kullanılması MRI’ın özel bir tekniğidir. Bu teknik Difüzyon Tensor Görüntüleme (DTI) olarak adlandırılır. DTI daha çok akson projeksiyonlarında gelişen genetik hastalıkların veya aksonların izlediği yolların takibinde kullanılır.

Bir başka ayarlamadaysa beyin dokusunu daha az görünülür kılıp, damarları daha keskin detaylarla ortaya çıkarmaya yarar. Böylece vasküler yapılardaki hastalıkların tanısı daha kolay gerçekleşebilir.

Fonksiyonel Beyin Görüntüleme

Beynin spesifik fonksiyonlarını görüntüleme lokal kan akışındaki değişiklikleri (veya metabolizmasındaki) saptamayla mümkün hale gelmiştir. İnsan çeşitli fonksiyonlar gösterdiğinde (örneğin elini kaldırmak) ilgili hareketlerden sorumlu beyin bölgeleri (motor korteks) daha aktif hale gelecek ve daha fazla oksijen ve şeker tüketmeye başlayacaktır. Bu da ilgi beyin bölgesine giden kan akımını arttırarak sağlanır. İşbu düzenlemelerin tespiti ve takibi 4 farklı beyin görüntüleme tekniğiyle sağlanır:

1-Positron Emission Tomography (PET)
2- Single-Photon Emission Computerized Tomography (SPECT)
3- Fonksiyonel Manyetik Resonance Imaging (fMRI)
4- Magnetoencephalography (MEG)

PET ve SPECT teknikleri radio markerlarla işaretlenmiş bileşenlerin vücuda enjeksiyonunu içerdiğinden araştırmalar ve klinik uygulamalarda daha az yaygındır. fMRI yapısal MRI görüntülemenin kullanım güvenilirliği gibi avantajlarına sahiptir. MEG çok yüksek temporal (zamansal) çözünürlüğe sahiptir. Ancak spatial (alansal) çözünürlüğünün düşük kalması kullanımını kısıtlar. Bu yüzden araştırmalarda favori yaklaşım fMRI’dır.

PET taramada radyoaktif parçaçıklar yayan bazı precursor ajanlar (su veya NTM’ler gibi) kana enjekte edilir. İşaretli oksijen ve glukoz kısa süre içerisinde metabolik olarak aktif alanlarda birikmeye başlar. Bu birikim kafa etrafına yerleştirilmiş Gamma ray dedektörleri ile tespit edilir. 4 mm çözünürlüğe sahiptir. PET’e benzer bir yöntem olan SPECT’te de radyoaktif Xe veya I’nın enjeksiyonu veya inhalasyonu kullanılır.

fMRI fiyat/performans oranı en yüksek, en az invasive fonksiyonel beyin görüntüleme tekniğidir. fMRI kandaki hemoglobinin sebep olduğu hidrojenin manyetik rezonansın bozulmalarının tespitine dayanır. Çözünürlüğü 2-3 mm arasındadır.

MEG’ın yukarıda bahsettiğimiz özellikleri kısa zamanlı aktiviteleri çok hızlı bir şekilde (fMRI dan daha kısa değişikleri kaydedebilir) kaydetmeye olanak sağlasa da alansal çözünürlüğünün düşük olması büyük bir eksidir. Adından da anlaşılabileceği gibi elektriksel aktivitenin sebep olduğu manyetik değişimleri saptayarak beyin görüntülerini oluşturur. Bu yüzden MEG epileptik odakları saptamada kullanılabilir. Ayrıca düşük çözünürlüğü yüzünden sıklıkla yapısal MRI ile kombine şekilde kullanılabilir, bu tekniğe Magnetic Source Imaging (MSI) denir.

Beyin görüntüleme tekniklerine değindiğimiz bu bölümü de burada bitiriyorum. Gelecek bölümlerde nöronların hücresel hesaplama ve iletim kabiliyetlerini yaratan elektriksel özelliklerine ve bu özelliklerin keşfine değineceğim.

Üçüncü bölüm için tıklayınız